(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする強磁性層からなる自由層と、
トンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層を介して前記自由層と対向する膜面方向に磁化した強磁性層からなる固着層と、
が積層され、
外部から磁界を印加しない状態において前記自由層と前記固着層の磁化の膜面への投影成分が互いに直交する、
長手方向とこれに直交する短手方向とを有する形状を有し、前記固着層の磁化が短手方向である、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記自由層が、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜からなり、前記トンネル絶縁層がＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜、Ａｌ２Ｏ３(酸化アルミニウム)、ＨｆＯ２(酸化ハフニウム)、Ｔａ２Ｏ５(酸化タンタル)、ＭｇＡｌ２Ｏ４(スピネル)のいずれかの金属の酸化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記自由層が、ライタノイド元素の少なくとも１つを主成分とする強磁性膜、Ｐｔ(白金)およびＰｄ(パラジウム)を含有するまたはＰｔ(白金)およびＰｄ(パラジウム)との界面を有する強磁性膜のいずれかからなり、
前記トンネル絶縁層が、ＭｇＯ(酸化マグネシウム)膜、Ａｌ２Ｏ３(酸化アルミニウム)、ＨｆＯ２(酸化ハフニウム)、Ｔａ２Ｏ５(酸化タンタル)、ＭｇＡｌ２Ｏ４(スピネル)のいずれかの金属の酸化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を複数、同一平面上で電気的に接続して設けたことを特徴とする磁界検出器。
【請求項５】
前記複数の磁気抵抗効果素子でブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路から検出磁界に応じた信号が出力されることを特徴とする請求項４に記載の磁界検出器。
【請求項６】
前記複数の磁気抵抗効果素子の形状がそれぞれ異なることを特徴とする請求項４または５に記載の磁界検出器。
【請求項７】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子に一定電流を供給する直流電源と、一定電流が供給された前記複数磁気抵抗効果素子の電圧を測定する電圧計と、を備えたことを特徴とする磁界検出器。
【請求項８】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子に一定電圧を供給する直流電源と、一定電圧が供給された前記複数磁気抵抗効果素子の電流を測定する電流計と、を備えたことを特徴とする磁界検出器。
【請求項９】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子で磁界を帯びた被測定物の前記磁界を測定し、測定された磁界と前記磁気抵抗効果素子と被測定物との距離と前記被測定物を流れる電流との関係式から前記被測定物を流れる電流を測定する電流検出器。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果素子を複数、同一平面上で電気的に接続して設けたことを特徴とする請求項９に記載の電流検出器。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果素子を複数設けてブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路から検出電流に応じた信号が出力されることを特徴とする請求項９または１０に記載の電流検出器。
【請求項１２】
前記複数の磁気抵抗効果素子の前記被測定物との距離が異なることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電流検出器。
【請求項１３】
前記複数の磁気抵抗効果素子の形状がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の電流検出器。
【請求項１４】
少なくとも前記被測定物と前記磁気抵抗効果素子と前記磁気抵抗効果素子の配線の部分が半導体集積回路で一体に形成されたことを特徴とする請求項９から１３までのいずれか１項に記載の電流検出器。
【請求項１５】
膜面に対し垂直方向を磁化容易軸とする強磁性層からなる自由層、トンネル絶縁層、前記トンネル絶縁層を介して前記自由層と対向する膜面方向に磁化した強磁性層からなる固着層が積層された、長手方向とこれに直交する短手方向とを有する形状を有する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
同一装置内で、
基板にＤＣマグネトロンスパッタリングを用いてＴａ膜を下部電極層として形成する工程と、
前記Ｔａ膜上にＩｒ−Ｍｎ合金膜を前記固着層を構成する反強磁性層として形成する工程と、
前記Ｉｒ−Ｍｎ合金膜上にＣｏ−Ｆe合金膜を前記固着層を構成する強磁性層として形成する工程と、
前記Ｃｏ−Ｆe合金膜上にＲｕ膜を前記固着層を構成する非磁性層として形成する工程と、
前記Ｒｕ膜上に第１のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜を前記固着層を構成する強磁性層として形成する工程と、
前記第１のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜上にＲＦマグネトロンスパッタリングを用いてＭｇＯ膜を前記トンネル絶縁層として形成する工程と、
前記ＭｇＯ膜上にＤＣマグネトロンスパッタリングを用いて第２のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜を前記自由層として形成する工程と、
前記第２のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜上にＴａ膜を上部電極層として形成する工程と、
を備え、
前記磁気抵抗効果素子の短手方向の膜面方向への磁界の印加およびその後の熱処理により、前記固着層を構成する膜に磁気異方性を付与すると共に前記自由層を構成する膜の膜面の前記磁気抵抗効果素子の長手方向に磁化を持たせる工程をさらに含む、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁界検出器および電流検出器に関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁界検出器および電流検出器等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気抵抗効果素子として、従来の巨大磁気抵抗(ＧＭＲ：giant-magnetoresistance)効果に対してより大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗(ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance)効果を有するＴＭＲ素子のメモリおよび磁気ヘッドなどへの応用が進められている。
【０００３】
ＴＭＲ素子においては、最も単純には、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜構造が用いられる。外部磁界やスピンが偏極した電子が注入されることによって、２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行に設定することにより、膜面垂直方向の絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化する現象が利用されている。ＴＭＲ素子では、トンネル電流の大きさを検出することによって、２層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。
【０００４】
ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子においては、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界やスピン偏極電子で容易に反転することのできる自由層とする、いわゆるスピンバルブ型構造が用いられる。
【０００５】
スピンバルブ型構造のＴＭＲ素子は、高感度な磁界検出器として用いることが可能である。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は理想的には完全に固定されているために、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、２つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出される。スピンバルブ構造のＴＭＲ素子では、他の磁気抵抗効果素子に対して抵抗変化率が大きく、自由層と固着層の磁気的な相互作用も小さいことから、高感度の磁界検出が可能となる。
【０００６】
スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出器により外部磁界の大きさを高精度で検出するために、たとえば下記特許文献１に示されるように、無磁界(外部印加磁界がゼロの状態)において固着層と自由層の磁化方向を膜面方向において直交化させる構成が知られている。特許文献１の技術は、固着層の磁化方向に印加された磁界の大きさを、自由層の磁化の向きにより検出するものである。これにより、自由層を構成する強磁性体のヒステリシスの発生を抑制する技術が示されている。その動作領域は自由層の磁化が困難な軸方向に飽和する磁界、いわゆる異方性磁界以下である。ここでは、固着層と自由層の磁化を無磁界で直交化するための技術も開示されており、例えば、自由層の磁気異方性を制御するために、追加的に硬質の強磁性体層を設け自由層と接触させる技術が示されている。
【０００７】
特許文献１は、膜面内方向に電流を流すスピンバルブ型ＧＭＲ素子を用いた技術を開示している。ＧＭＲ素子は、一般的に、低抵抗であるため、大きな出力信号を得るためには、供給電流量を大きくする必要があり、応じて消費電力が大きくなるという問題がある。一方、ＴＭＲ素子では、高抵抗かつ高抵抗変化率を実現することが可能であり、大出力かつ低消費電力の磁界検出器を実現することが可能である。
【０００８】
なお、これらの構成からなる磁気抵抗効果素子は、磁界の方向に依存して自由層の見掛け上の磁気異方性が変化することから、感度も変化する。このため、配線と磁気抵抗効果素子の位置が固定された電流検出器など、磁界方向が固定された測定に適する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平８−２１１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の構造においては、自由層の磁気異方性の不足に起因し、自由層内で磁壁が存在する場合や磁化の回転中に安定的な状態が発生する場合があり、結果的にヒステリシスが発生する問題があった。これによって、自由層磁化の履歴に依存して磁界検出器としての出力信号に誤差が発生し、磁界検出誤差が発生していた。対策として、自由層の磁気異方性を付与するための磁気的に硬質な強磁性体層の設置や磁界の印加機構などが考えられるが、この場合は、製造工程が複雑となり、例えば複数の素子を集積回路に搭載する場合などに、集積化が困難となる課題があった。
【００１１】
この発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒシテリシスを抑制した高精度でかつ高感度な特性と、製造と集積化の容易さを両立した磁気抵抗効果素子等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする強磁性層からなる自由層と、
トンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を介して前記自由層と対向する膜面方向に磁化した強磁性層からなる固着層と、が積層され、外部から磁界を印加しない状態において前記自由層と前記固着層の磁化の膜面への投影成分が互いに直交する、長手方向とこれに直交する短手方向とを有する形状を有し、前記固着層の磁化が短手方向である、ことを特徴とする磁気抵抗効果素子等にある。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の磁気抵抗効果素子によれば、ヒシテリシスを抑制した高精度でかつ高感度な特性と、装置として素子の製造と集積化の容易さを両立する磁界および電流の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図である。
【図２】この発明の実施の形態１における磁界検出器の概略構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の断面構造を示す概略図である。
【図４】この発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１における磁界検出器の等価回路図である。
【図６】この発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態１と従来の磁気抵抗効果素子の特性を比較するための図である。
【図８】この発明の実施の形態１の変形例１の一例における磁気抵抗効果素子の直列接続を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態１の変形例１の別の例における磁気抵抗効果素子の直列接続を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態１の変形例１のさらに別の例における磁気抵抗効果素子の並列接続を説明するための図である。
【図１１】この発明の実施の形態１の変形例１のさらに別の例における磁気抵抗効果素子の並列接続を説明するための図である。
【図１２】この発明の実施の形態１の変形例２における磁界検出器の等価回路である。
【図１３】この発明の実施の形態１の変形例３における磁気抵抗効果素子の磁気特性の形状依存性を説明するための図である。
【図１４】この発明の実施の形態２における電流検出器を示す概略図である。
【図１５】この発明の実施の形態２における電流検出器の磁気抵抗効果素子の接続を示す概略図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における電流検出器を有する半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態３における電流検出器を有する別の半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態３における電流検出器を有するさらに別の半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明による磁気抵抗効果素子等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１６】
実施の形態１．
図２はこの発明の実施の形態１における磁界検出器の概略構成図である。図１は図２の磁界検出器で使用されるこの発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図、図３はその磁気抵抗効果素子の短手方向に沿った断面構造を示す概略図である。図１の(ａ)は図２の磁気抵抗効果素子１の上面図、(ｂ)(ｃ)は(ａ)のそれぞれ二重矢印(ｂ)(ｃ)の方向から見た断面図である。
【００１７】
最初に、この発明の実施の形態１の磁界検出器の構成について説明する。図２を参照して、磁界検出器１００は、ＴＭＲ効果を利用する磁気抵抗効果素子１と、この磁気抵抗効果素子１に所定の大きさの定電流を供給する直流電源２と、磁気抵抗効果素子１の下部電極層６と上部電極層７との間の電圧を検出する電圧計３とを主に有している。
【００１８】
磁気抵抗効果素子１は、その上部電極層７が配線４により直流電源２および電圧計３に接続され、また、下部電極層６が配線５により直流電源２および電圧計３の接地ノードと結合されている。なお、図１においては外部からの磁界(図３の磁界Ｈｅｘ参照)を印加する機構は、図示されていないが、たとえば配線に電流を流すことにより磁界Ｈｅｘを印加するように構成されていてもよい。
【００１９】
磁界検出器１００は、図３を参照して後述する磁気抵抗効果素子１の自由層となる強磁性層(自由層)８と、トンネル絶縁層９と、固着層１０の積層方向に電流が流されることで磁界を検出するよう構成されている。
【００２０】
磁気抵抗効果素子１は、その詳細構成は後述するが、自由層８と、トンネル絶縁層９と、強磁性層１０ａ、非磁性層１０ｃ、強磁性層１０ｂおよび反強磁性層１０ｄからなる固着層１０と、を有している。トンネル絶縁層９を介して自由層８と強磁性層１０ａが対向しており、非磁性層１０ｃを介して、強磁性層１０ａ，１０ｂが対向している。強磁性層１０ｂは反強磁性層１０ｄと接している。
【００２１】
磁気抵抗効果素子１は、図１の(ａ)に上面図を示すが、平面形状がほぼ長方形に形成され、長手方向および短手方向(長手方向に交差する方向)を有している。固着層１０の磁気異方性を磁気抵抗効果素子１の短手方向に付与するため、固着層１０の形成時および熱処理時に短手方向に磁界が印加されている。これによって、固着層１０の強磁性層１０ａ，１０ｂは、外部からの磁界Ｈｅｘの強度が０の無磁界時においては、膜面(層面)内にある短手方向の磁化１０１ａ，１０１ｂ(図３参照)を有している。この固着層１０において、２層の強磁性層１０ａ，１０ｂは、非磁性層１０ｃを介して磁気的に結合しているため、それぞれの磁化方向１０１ａと１０１ｂは互いに反対(１８０°)方向である。これによって、互いの磁化を打消し合っており、自由層への影響を抑制するとともに、外部からの磁界Ｈｅｘによる影響を受けずに、磁化の固着を安定化する役割を担っている。
【００２２】
図１を参照して、自由層(強磁性層)８の磁化方向８１は、膜面の垂直方向と素子形状による反磁界の影響により、素子上面からの投影面でみた場合には、素子１の長手方向に磁化している。しかしながら、この発明における強磁性層である自由層８では、材料の磁気異方性エネルギーが(膜面内を正とした場合に)負である。これよって、膜の垂直方向の磁化の成分も有している。すなわち、磁化方向８１は自由層８の膜面方向からの傾きを有している。自由層８は磁化容易軸を膜面に対して垂直方向とする強磁性層(膜)である。
【００２３】
図４はこの発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図である。(ａ)は図２の磁気抵抗効果素子１の上面図、(ｂ)は(ａ)の二重矢印(ｂ)の方向から見た断面図である。ここでは、説明を簡単にするために全体の磁化方向８１が傾いた場合で説明するが、図４に示すように、自由層(強磁性層)８の内部で磁化が局所的な分布を示し、局所的には磁化が傾きを有しているが、全体で観た場合は膜の垂直方向の磁化成分が０となってもよい。
つまり、外部からの磁界Ｈｅｘを印加しない状態において、トンネル絶縁層９を挟んで対向する自由層(強磁性層)８と強磁性層１０ａのそれぞれの磁化である８１と１０１ａは、素子１上面からの投影面でみた場合は互いに直交している。
【００２４】
図１に戻り、自由層(強磁性層)８の磁化方向８１と強磁性層１０ａの磁化方向１０１ａが互いに直交するということは、磁化方向の相対角が９０°から製造誤差により±１０°の範囲でずれている場合を含んでいる。なお、図１では、説明を容易にするために自由層(強磁性層)の磁化８１は無磁界における方向を示している。
【００２５】
図５はこの発明の実施の形態１における磁界検出器の等価回路図である。図５では、磁気抵抗効果素子１は、外部磁界により抵抗値が変化するため、可変抵抗素子の記号で示されている。磁気抵抗効果素子１と並列に電圧計３が接続され、磁気抵抗効果素子１と直列に直流電源２が接続されている。図５においては、直流電源２は接地ノードと磁気抵抗効果素子１(の高電位側)との間に接続されているが、直流電源２は、電源ノードと接地ノードとの間に接続されて一定の電流を磁気抵抗効果素子１に供給するものであればよい。
【００２６】
図３を参照して、磁気抵抗効果素子１は、下部電極層６と、上部電極層７と、自由層(強磁性層)８と、トンネル絶縁層９と、固着層１０を有している。基板１１上に下部電極層６は形成されている。下部電極層６上に反強磁性膜１０ｄが形成され、反強磁性膜１０ｄに接する位置に強磁性層１０ｂが形成されている。この強磁性層１０ｂと強磁性層１０ａで挟まれるように非磁性層１０ｃが形成され、更に強磁性層１０ａと自由層(強磁性層)８で挟まれるようにトンネル絶縁層９が形成されている。なお、図３では、自由層(強磁性層)８の磁化８１は、固着層１０における強磁性層１０ａの磁化１０１ａに沿った方向の磁界が印加された場合の例を示している。
【００２７】
自由層(強磁性層)８は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ(コバルト−鉄−ホウ素)合金膜からなっている。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜はトンネル絶縁層がＭｇＯ膜である場合、界面近傍において垂直の磁気異方性(膜面内の異方性エネルギーを正と定義した場合、負)を示す。なお、自由層８はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜に限定されず、Ｃｏ(コバルト)、Ｎｉ(ニッケル)、Ｆｅ(鉄)、およびＴｂ(テルビウム)等のライタノイド元素、の少なくともいずれかを主成分とする強磁性膜、若しくはＰｔ(白金)およびＰｄ(パラジウム)を含有またはこれらとの界面を有する強磁性膜で、且つ膜面の垂直方向に磁気異方性を有する材料であればよく、これらを積層した強磁性膜であっても同様な効果を得ることが可能である。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜からなる自由層８の厚さは、１．２ｎｍである。なお、自由層８の厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜は不可避不純物を含んでいる。
【００２８】
トンネル絶縁層９は、ＭｇＯ(酸化マグネシウム)膜からなっている。なお、トンネル絶縁層９はこれに限定されず、他の金属の酸化膜であるＡｌ２Ｏ３(酸化アルミニウム)やＨｆＯ２(酸化ハフニウム)、Ｔａ２Ｏ５(酸化タンタル)、ＭｇＡｌ２Ｏ４(スピネル)等であってもよい。ＭｇＯ膜からなるトンネル絶縁(膜)層９の厚さは、１．０ｎｍである。なお、トンネル絶縁層９の厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、ＭｇＯ膜は不可避不純物を含んでいる。
【００２９】
強磁性層１０ａは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜からなっている。なお、自由層８はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜に限定されず、Ｆｅ(鉄)、Ｃｏ(コバルト)等のＣｏ(コバルト)、Ｎｉ(ニッケル)およびＦｅ(鉄)の少なくともいずれかを主成分とする強磁性膜であればよく、これらを積層した強磁性膜であっても同様な効果を得ることが可能である。Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜からなる自由層８の厚さは、１．５ｎｍである。なお、強磁性層１０ｂの厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜は不可避不純物を含んでいる。
【００３０】
非磁性層１０ｃは、Ｒｕ(ルテニウム)膜からなっている。なお、非磁性層１０ｃはＲｕ膜に限定されず、Ｒｔ、Ｒｂ等の主に白金族からなる遷移金属の非磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。Ｒｕ膜からなる非磁性層１０ｃの厚さは、０．８ｎｍである。なお、非磁性層１０ｃの厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｒｕ膜は不可避不純物を含んでいる。
【００３１】
強磁性層１０ｂは、Ｃｏ−Ｆｅ合金膜からなっている。なお、強磁性層８はＣｏ−Ｆｅ合金膜に限定されず、Ｆｅ(鉄)、Ｃｏ(コバルト)等のＣｏ(コバルト)、Ｎｉ(ニッケル)およびＦｅ(鉄)の少なくともいずれかを主成分とする強磁性膜であればよく、これらを積層した強磁性膜であっても同様な効果を得ることが可能である。Ｃｏ−Ｆｅ合金膜からなる強磁性層１０ａの厚さは、１．５ｎｍである。なお、強磁性層１０ａの厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｃｏ−Ｆｅ合金膜は不可避不純物を含んでいる。
【００３２】
反強磁性層１０ｄは、Ｉｒ−Ｍｎ(イリジウム−マンガン)合金膜からなっている。なお、反強磁性層１０ｄはＩｒ−Ｍｎ合金膜に限定されず、Ｐｔ−Ｍｎ(白金−マンガン)合金、Ｆｅ−Ｍｎ(鉄−マンガン)合金、Ｎｉ−Ｍｎ(ニッケル−マンガン)合金等の反強磁性膜であればよく、同様な効果を得ることが可能である。Ｉｒ−Ｍｎ膜からなる反強磁性層１０ｄの厚さは、２０ｎｍである。なお、反強磁性層１０ｄの厚さはこれに限定されず、素子の抵抗や磁界応答性に応じて変更されうるものである。また、Ｉｒ−Ｍｎ合金膜は不可避不純物を含んでいる。
【００３３】
下部電極層６および上部電極層７は、各々、Ｔａ(タンタル)膜からなっている。なお、下部電極層６および上部電極層７は、各々、例えばＲｕ膜等の他の金属であってもよく、これに限定されない。下部電極層６が図２に示す配線５に接続され、上部電極層７が図２に示す配線４に接続されている。配線４，５には、各々、Ｃｕ(銅)が用いられている。なお、配線４，５は、例えばＡｌ(アルミニウム)の他の金属であっても良く、各々、これに限定されない。
【００３４】
以上のこの実施の形態の磁気抵抗効果素子１では、自由層となる強磁性層８の磁化８１は、膜面の垂直方向の成分も有している。これにより、外部磁界Ｈｅｘが印加された場合は、膜の垂直方向の磁化成分も有した状態で磁化の回転が発生する。ここでは、固着層１０の磁化は膜の面内方向であるが、垂直成分を含んでいてもよい。
【００３５】
この実施の形態の磁気抵抗効果素子１の強磁性層８の磁化８１の配置によれば図３に示すように外部から磁界Ｈｅｘが印加された場合、磁化８１が回転することにより、トンネル絶縁層９を介した電子のトンネル確率が変化する。この結果、外部磁界Ｈｅｘに依存して抵抗が変化する。
【００３６】
次に、この実施の形態の磁気抵抗効果素子および磁界検出器の製造方法について説明する。図３を参照して、磁気抵抗効果素子１を構成するそれぞれの金属膜は、基板１１上にＤＣ(直流)マグネトロンスパッタリングにより形成される。基板１１はＳｉ(ケイ素)、ＳｉＣ(炭化ケイ素)、ＧａＮ(窒化ガリウム)、ＧａＡｓ(ヒ化ガリウム)、ガラスなどが用いられる。なお、基板１１はこれに限定されず、その他の材料であってもよく、磁気抵抗効果素子１の下に、配線やトランジスタ、ダイオード等の電子回路が形成されていてもよい。
【００３７】
ＤＣマグネトロンスパッタリングを用いてＴａ膜が下部電極層６として形成される。下部電極層６としてのＴａ膜が形成された後、大気に曝されることなく同一装置内で膜厚２０ｎｍのＩｒ−Ｍｎ合金膜が反強磁性層１０ｄとして形成される。引続き、大気に曝すことなく強磁性層１０ｂとしての膜厚１．５ｎｍのＣｏ−Ｆe合金膜、非磁性層１０ｃとしての膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、強磁性層１０ａとしての膜厚１．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜が形成される。引続き、大気に曝すことなくＲＦ(高周波)マグネトロンスパッタリングを用いて膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜がトンネル絶縁層９として形成された後に、ＤＣマグネトロンスパッタリングを用いて自由層(強磁性膜)８としての膜厚１．２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜が形成される。その後に、Ｔａ膜が上部電極層７として形成される。
【００３８】
なお、これらの膜を形成する際は、膜面方向に１００Ｏｅの磁界が印加される。これによって固着層１０を構成するＩｒ−Ｍｎ膜とＣｏ−Ｆｅ膜、およびＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜に磁気異方性が付与される。磁気抵抗効果素子１を構成する下部電極層６から上部電極層７までの膜は、全て同一装置内で形成される。トンネル絶縁層９であるＭｇＯ膜については、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりＭｇ(マグネシウム)膜を形成した後に、酸素を含む酸化雰囲気に曝すことで形成してもよい。
【００３９】
その後に熱処理が実施される。目的は、ＭｇＯ膜とそれを挟む２層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の結晶化を促進するとともに、固着層１０の膜に磁気異方性を付与するためである。ここでは、固着層１０のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜とＣｏ−Ｆｅ膜の磁化を飽和するための磁界である１０ｋＯｅが印加される。磁界印加方向は、磁気抵抗効果素子１の成膜時と同様であり、後述する磁気抵抗効果素子１の短手方向である。熱処理温度は、磁気抵抗効果素子１はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜を結晶化が可能であり、且つ固着層のＩｒ−Ｍｎ膜とＣｏ−Ｆｅ膜の間の交換結合が実質的に無くなる、３５０℃としている。この温度で１時間保持された。
【００４０】
上記の熱処理を経た後、固着層の強磁性膜１０ａと１０ｂの磁化は、それぞれ１８０°の方向を向く。つまり、非磁性層１０ｃであるＲｕ膜を挟んで対向するＣｏ−Ｆｅ合金膜の磁化１０１ｂとＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金膜の磁化１０１ａは互いに反対方向を向く。なお、強磁性層(自由層)８の磁化８１は、材料の結晶構造に依存した膜の垂直方向の磁気異方性が支配的となることで、熱処理時の磁界印加による磁化方向８１への影響は小さい。
【００４１】
この後、フォトリソグラフィにより所望のパターンが形成される。積層化された磁気抵抗効果素子１を構成する膜が形成された後、フォトレジストにより所望のパターンが形成される。その後、フォトレジストにより形成された所望のパターンをマスクとして、反応性イオンエッチングにより磁気抵抗効果素子１を電気的および磁気的に分離することで、磁気抵抗効果素子１の形状が得られる。ここでの磁気抵抗効果素子１は前述のように長方形であり、たとえば短辺×長辺が２００ｎｍ×３００ｎｍの長方形状に形成される。磁気抵抗効果素子１の長手方向は、積層膜における固着層１０の形成時の磁界印加方向と直交する方向である。
【００４２】
上記のパターン形成により、自由層となる強磁性層８であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の磁化８１は、形状による反磁界の影響を受け、その磁化８１は、形状の長手方向の成分を有することとなる。すなわち、強磁性層８の磁化８１は、結晶構造に依存した磁気異方性による膜面の垂直成分と、形状磁気異方性による形状の長手方向の成分とを有している。
なお、図２に示すように配線４，５を、それぞれ下部電極層６および上部電極層７に接続することで磁気抵抗効果素子１と直流電源２および電圧計３とは電気的に接続される。ここでは詳細な説明は省略するが、これにより、この実施の形態の磁気抵抗効果素子１を用いた磁界検出器１００が形成される。
【００４３】
次に、この実施の形態の磁界検出器の磁界検出動作について説明する。図２を参照して、磁界検出時に磁気抵抗効果素子１に配線４，５を通じて直流電源２から一定電流Ｉが供給される。磁気抵抗効果素子１に対して外部から磁界Ｈｅｘが印加されると、外部からの磁界Ｈｅｘの印加方向に応じて磁気抵抗効果素子１の抵抗値が変化する。この外部からの磁界Ｈｅｘの印加方向に応じた磁気抵抗効果素子１の抵抗値の変化により、直流(電流)電源２から供給される一定電流Ｉに対して、磁気抵抗効果素子１の下部電極層６と上部電極層７との間の電圧が変化する。この電圧変化が電圧計３で検出されて、外部からの磁界Ｈｅｘが検出される。
【００４４】
なお、ここでは図示しないが、磁気抵抗効果素子１の抵抗変化を検出することで外部磁界Ｈｅｘを検出していることから、直流(電圧)電源により一定電圧を磁気抵抗効果素子１に印加し、その際の電流値を電流計で検出することでも検出が可能である。
また、磁気検出器に上述の電圧計３で検出された電圧値または上記電流計で検出された電流値をそれぞれ予め設定された換算式に基づいて磁界強度に変換する演算部(図示省略)を設けてもよい(以下同様)。
【００４５】
続いて、図３に示すように磁気抵抗効果素子１の短手方向(長手方向に交差する方向)に磁気抵抗効果素子１に対して外部から磁界Ｈｅｘが印加された場合の磁気抵抗効果素子１の動作について説明する。
【００４６】
図６はこの発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の磁化方向を説明するための図である。図６の(ａ)は図２の磁気抵抗効果素子１の上面図、(ｂ)(ｃ)は(ａ)のそれぞれ二重矢印(ｂ)(ｃ)の方向から見た断面図である。図６を参照して、図中矢印方向に外部から磁界Ｈｅｘが印加されると、強磁性層８の無磁界における磁化８１は、磁界Ｈｅｘ方向に回転する。この結果、固着層の強磁性層１０ａの磁化１０１ａとの相対角が変化する。
【００４７】
ここで、図３を参照して、ＴＭＲ素子を用いた磁界方向の検出方法について説明する。ＴＭＲ素子を構成するトンネル絶縁層９を介して対向する２層の強磁性層の磁化８１，１０１ａの向きをそれぞれ、θ１、θ２とすると、素子抵抗Ｒは近似的に以下で表される。
【００４８】
Ｒ＝Ｒ０−ΔＲ／２・ｃｏｓ(θ２−θ１)      (１)
【００４９】
上記式(１)においてＲ０は素子抵抗の中心値であり、ΔＲは素子の抵抗変化量である。ＴＭＲ素子の自由層の強磁性層の磁化は、外部磁界の大きさと向きに依存して方向が変化する。この結果、上記式(１)においてθ１−θ２は外部磁界に依存して変化する。これによって、素子抵抗Ｒを測定することにより、磁界が検出される。
【００５０】
再び図６を参照して、この実施の形態の磁気抵抗効果素子１では、図中矢印方向に外部から磁界Ｈｅｘが印加されることにより、強磁性層(自由層)８の磁化８１は外部からの磁界Ｈｅｘの方向へ回転する。すなわち、強磁性層８の磁化８１は磁界Ｈｅｘの方向へ回転して、磁化８２に変化する。したがって、強磁性層８、強磁性層１０ａの相対的な磁化方向が変化する。そのため、図３に示すトンネル絶縁層９を通じた電子のトンネル確率も変化する。これによって、外部からの磁界Ｈｅｘに依存した素子抵抗Ｒの変化が得られる。
【００５１】
なお、さらに外部からの磁界Ｈｅｘを大きくすると磁化８２が外部からの磁界Ｈｅｘの印加方向へと飽和するため、素子抵抗Ｒは最小値で飽和する。外部からの磁界Ｈｅｘと素子抵抗Ｒとの関係を用いて、磁気抵抗効果素子１の積層方向(膜面に垂直方向)に一定の電流Ｉを流し、図２に示す電圧計３により磁気抵抗効果素子１にかかる電圧Ｖを測定することで、外部からの磁界Ｈｅｘの強度が検出される。
【００５２】
次に、この実施の形態の作用効果について説明する。従来のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子の構造においては、自由層として膜面方向に磁化する自由層が用いられている。特に、磁気抵抗効果素子に積層膜の形成後の熱処理の際に、固着層と自由層の強磁性膜の磁気異方性が同方向になることから、自由層の磁気異方性の不足に起因し、自由層内で磁壁が存在する場合や磁化の回転中に安定的な状態が発生する場合があり、結果的にヒステリシスが発生する問題があった。これによって、自由層磁化の履歴に依存して磁界検出器としての出力信号に誤差が発生し、磁界検出誤差が発生していた。対策として、自由層の磁気異方性を付与するための硬質の強磁性体層の設置や磁界の印加機構などが考えられるが、この場合は、製造工程が複雑となり、例えば複数の素子を集積回路に搭載する場合などに、集積化が困難となる課題があった。
【００５３】
これに対してこの実施の形態の磁気抵抗効果素子１では、強磁性層の膜の磁気異方性は材料によって、膜の垂直方向に制御されるため、前述したヒステリシスの発生を素子単体で抑制することが可能であり、高精度化が可能である。素子の形状は同一である場合の比較例を、図７に示す。図７はこの発明の実施の形態１と従来の磁気抵抗効果素子の特性を比較するための図である。印加外部磁界に対する磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化が示されており、(ａ)のヒステリシスが発生している従来の素子の抵抗特性に対し、(ｂ)のこの発明の素子ではヒステリシスが発生していない。なお、この発明の素子を製造する場合に、追加の製造工程も必要なく、素子を高集積化することも可能である。
【００５４】
この実施の形態の磁気抵抗効果素子１によれば、自由層となる強磁性層８は、膜の材料としての磁気異方性が膜の垂直方向であり、且つ膜面の垂直方向と素子形状による反磁界の影響により、素子上面からの投影面でみた場合には、素子の長手方向に磁化している。通常の膜面内に磁化した自由層では、長手方向の端部において磁化を緩和するために、局所的な磁化配置をとり、ヒステリシスが発生する要因となっていた。これに対して、この発明での自由層は、垂直方向に磁化が向きやすく、長手方向の端部での磁化の緩和が可能となる。結果として外部磁界が印加された際に、特に低磁界において磁界磁化が回転する際のヒステリシスの発生を抑制可能であり、追加の構造を増やすことなく高精度で高集積化が可能な磁界検出器を実現することができる。
【００５５】
次に、この実施の形態の変形例１について説明する。この実施の形態の変形例１として、図８から１１に示すように、複数個の磁気抵抗効果素子１を配線４，５で直列若しくは並列に接続した構成としてもよい。動作原理は前述と同様である。この構成を用いた場合は、出力信号が複数の素子で平均化されるために、個別の素子における抵抗や磁界応答性等の特性ばらつきを平均化することが可能である。接続する磁気抵抗効果素子１の数は、抵抗やばらつきの平均化により調整することが可能であるが、直列接続の場合は、各素子抵抗の電圧依存性の対称性、および後述する読み出し電流による磁界発生の対称性を考慮し、偶数個であることが好ましい。
【００５６】
図８においては、磁気抵抗効果素子１の長手方向に沿った配置(複数の磁気抵抗効果素子１がそれぞれ隣り合う磁気抵抗効果素子の長手方向端部同士が向き合う方向に向けられて配置されて並べられている)で、複数の磁気抵抗効果素子が直列接続されている。この場合は後述する電流検出器など、配線に沿った配置が容易である。図９の配置は磁気抵抗効果素子１の短手方向に沿った配置(複数の磁気抵抗効果素子１がそれぞれ隣り合う磁気抵抗効果素子の短手方向端部同士が向き合う方向に向けられて配置されて並べられている)で、複数の磁気抵抗効果素子が直列接続されている。この配置では、配線４および５を流れる読出し電流によって磁界が発生した場合、磁気抵抗効果素子１の長手方向の磁界が印加されることから、読出し電流に起因した検出誤差を抑制することが可能となる。なお、図８と図９の配置は、ともに配線４が磁気抵抗効果素子１の上部に位置し、配線５が下部に位置しているため、磁気抵抗効果素子１の位置で、電流によって発生する磁界は互いに逆向きである。これによって、読出し電流に起因した検出誤差を抑制することが可能である。
【００５７】
図１０および１１の接続は、それぞれ、磁気抵抗効果素子１の長手方向と短手方向に沿った配置で、並列接続されている。この場合の効果も、直列接続での配置と同様である。なお、直列接続にした場合は、一つの磁気抵抗効果素子１に加わる電圧を抑制することが可能であり、この結果、電圧に依存した抵抗変化率の減少を抑制することが可能であり、電圧に起因したトンネル絶縁層の破壊も防ぐことが可能である。並列接続した場合は、磁気抵抗効果素子１の数に反比例した低抵抗化が可能であり、前記の直列接続と組み合わせる場合など、用途や周辺回路に応じた抵抗の調整も可能である。
【００５８】
次に、この実施の形態の別の変形例２について説明する。この実施の形態の別の変形例２として、磁気抵抗効果素子１を複数個用いてブリッジ回路を構成してもよい。図１２はこの発明の実施の形態１の変形例２における磁界検出器の等価回路である。図１２を参照して、磁界検出器１００は、直流電源２からの電流が供給されるブリッジ回路３０と、ブリッジ回路３０のノードＮ２およびＮ４の電圧を差動増幅する差動増幅器３２と、この差動増幅器３２の出力信号の電圧レベルを検出する電圧計３とを有している。磁界検出器１００では、ブリッジ回路３０から検出磁界に応じた信号が出力される。
【００５９】
ブリッジ回路３０は、ノードＮ１とＮ２の間に接続される磁気抵抗効果素子１ａと、ノードＮ２と接地ノードＮ３の間に接続される定抵抗素子３１ｂと、ノードＮ１とＮ４の間に接続される定抵抗素子３１ａと、ノードＮ４と接地ノードＮ３の間に接続される磁気抵抗効果素子１ｂとを有している。ノードＮ１が直流電源２に接続されている。ノードＮ２とＮ４が差動増幅器３２の相補入力にそれぞれ接続されている。接地ノードＮ３がグランドに接続されている。
【００６０】
磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂは、図３に示す構成を有している。また、外部磁界の磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂへの影響は同じである。定抵抗素子３１ａおよび３１ｂも、抵抗値が同じである。直流電源２から、ノードＮ１へ一定の大きさの電流が供給される。磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂでは、その抵抗値が、ほぼ同じ特性で変化し、ブリッジ回路３０において２つの電流経路、すなわちノードＮ１→Ｎ２→Ｎ３の経路を流れる電流と、ノードＮ１→Ｎ４→Ｎ３を流れる電流の大きさは同じとなる。
【００６１】
外部磁界の影響により、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの抵抗値が大きくなった場合、ノードＮ２の電圧が低下し、一方、ノードＮ４の電圧レベルが上昇する。逆に、外部磁界により磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの抵抗値が小さくなった場合、ノードＮ２の電圧レベルが上昇し、ノードＮ４の電圧レベルが低下する。
【００６２】
したがって、ノードＮ２およびＮ４の電圧レベルは、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの抵抗値変化に対して相補的に変化し、この差分値を、差動増幅器３２で増幅する。これにより、１つの磁気抵抗効果素子による電圧変化に較べて、ノードＮ２およびＮ４の差分信号変化量が大きくなり、電圧計３で、高精度で、外部磁界により生じる電圧変化を検出することができる。そのため、大きな出力信号が得られる。また、無磁界において出力が０となる。更に、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの温度依存性を相殺することができるので、温度に依存した磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの抵抗変化を緩和することが可能である。
【００６３】
この実施の形態の磁界検出器は、３つ目の変形例３は、形状の異なる複数の磁気抵抗効果素子が同一基板上に形成されている。図１３はこの発明の実施の形態１の変形例３における磁気抵抗効果素子の磁気特性の形状依存性を説明するための図である。図１３を参照して、この実施の形態における磁気抵抗効果素子１の積層構造を用いて、素子形状を変化させた場合の磁気特性を説明する。図３の(ａ)は、自由層である強磁性膜８の磁化が概ね飽和する異方性磁界について、短手方向の長さを一定とした場合の長手方向の長さ依存性、(ｂ)は短手方向の長さに対する長手方向の長さの比(形状アスペクト比)の依存性を示している。
【００６４】
抵抗変化率が一定である場合、異方性磁界は、磁気抵抗効果素子の磁界に対する感度に反比例する。この結果からも明らかなように、これらの形状に依存して磁気抵抗効果素子の感度が変化する。これを利用することで、膜構造は同一で、感度の異なる素子を同一平面に形成することが可能である。全ての素子を一括して形成することが可能であり、製造工程の増加もない。
【００６５】
なお、素子面積に依存する抵抗については、この実施の形態の変形例１と組み合わせることで調整することが可能である。
【００６６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２の電流検出器は、実施の形態１と同様な磁気抵抗効果素子を有している。実施の形態１で示した磁気抵抗効果素子は、方向が決まった磁界(固着層の強磁性層１０ａにおける磁化１０１ａに沿った方向)の検出に適しており、配線に対して位置を固定して用いる電流検出器に適する。まず、この実施の形態の電流検出器の構成について説明する。
【００６７】
図１４はこの発明の実施の形態２における電流検出器を示す概略図である。図１４を参照して、電流検出器１０２は、実施の形態１の磁界検出器１００(図３)が用いられている。電流検出器１０２は、被測定物４０である配線から一定の距離が保たれて配置されている。被測定物である配線４０には被測定用の電流ｉが流れている。
【００６８】
なお、磁気抵抗効果素子１のみ図示されているが、電流検出器１０２は実施の形態１に示された構成を全て備えている。また電流検出器１０２は、図示しない出力信号検出回路も備えている。
【００６９】
磁気抵抗効果素子１は、被測定用の電流ｉが流れる配線から発生する外部磁界Ｈｅｘの方向と検出方向が一致するように配置されている。
【００７０】
次に、この実施の形態の電流検出器における電流検出動作について説明する。被測定用の電流ｉが配線に流れると、電流ｉの作用により、配線と垂直な方向に環状磁界が発生する。この磁界Ｈｅｘの大きさは次式で表される。
【００７１】
Ｈｅｘ＝ｋ・ｉ／ｒ      (２)
【００７２】
上記式(２)においてｋは比例定数であり、ｒは配線から磁気抵抗効果素子１の距離である。磁気抵抗効果素子１と配線との距離ｒを測定しておけば、比例定数ｋは既知であるので、磁界Ｈｅｘを測定することにより電流ｉを測定することが可能である。
【００７３】
なお、被測定物４０である配線は電流検出器１０２と同一基板上に配置されていてもよい。
【００７４】
この実施の形態の電流検出器１０２は、上記の磁気抵抗効果素子１で磁界を帯びた被測定物４０の磁界Ｈｅｘを測定することで被測定物４０を流れる電流ｉを測定する。
上記出力信号検出回路すなわち演算部は、上記実施の形態１で記載した磁気検出器で検出された電流値または電圧値、またはさらにこれらを換算式で換算した磁界強度から、予め設定された換算式に基づいて被測定物４０の電流値ｉを求める機能を含む(以下同様)。
【００７５】
上記の磁気抵抗効果素子１により、磁界Ｈｅｘを帯びた被測定物４０の磁界Ｈｅｘを測定することで被測定物４０を流れる電流ｉを測定するため、電流検出において誤差が少なく安定した出力信号が得られ、高精度な電流検出を行うことができる。また、電流検出器１０２の形成も容易である。
【００７６】
また、上記においては１個の磁気抵抗効果素子１からなる電流検出器１０２について説明したが、実施の形態１での変形例を適用することが可能である。図１５には図８で説明した、磁気抵抗効果素子を長手方向に沿って直列接続した例を示す。配線４０を流れる電流によって発生する磁界は、配線断面方向で観た場合、同心円の分布で説明される。このため、特に配線４０と磁気抵抗効果素子１の距離が近い場合は、磁気抵抗効果素子１に不均一な磁界が印加されることとなる。これを抑制するためには、配線断面方向の磁気抵抗効果素子１の占有する長さを小さくすることが好ましく、図１５のように磁気抵抗効果素子１の長手方向に沿って接続する配置が好ましい。
【００７７】
電流検出器１０２にはそれ以外の数の磁気抵抗効果素子１が含まれていてもよく、これらの磁気抵抗効果素子１がたとえば図１２に示したブリッジ回路３０を形成していてもよい。感度の異なる磁気抵抗効果素子を同一面上に同時に形成することも可能である。上記の各実施の形態は、適時組み合わせることができるものである。
【００７８】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３で説明する半導体集積回路は、実施の形態１の磁気抵抗効果素子を有しており、実施の形態２と同様な動作をする電流検出器を有している。動作の原理も実施の形態２と同様である。
【００７９】
図１６はこの発明の実施の形態３における電流検出器を有する半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。図１６を参照して、電流検出器１０２は、実施の形態１の磁気抵抗効果素子１(図３)が用いられている。電流検出器１０２は、被測定物４０であるＣｕ配線の直上に設置されている。この際の配線(４０)と磁気抵抗効果素子１は、層間絶縁膜５３によって絶縁されており、その距離は層間絶縁膜５３と磁気抵抗効果素子１の下に設置された下部電極５０の厚さよって決定される。被測定物４０である配線には被測定用の電流ｉが流れている。
【００８０】
なお、磁気抵抗効果素子１のみ図示されているが、電流検出器１０２は実施の形態２に示された構成を全て備えている。また電流検出器１０２は、図示しない出力信号検出回路も備えており、半導体集積回路に事前に形成さている。
【００８１】
なお、図１６において、４，５は複数の磁気抵抗効果素子１(図８等参照)、直流(電流、電圧)電源２(図２等参照)、電圧計３(図２等参照)、電流計(図示省略)、定抵抗素子３１ａ，３１ｂ(図１２等参照)、差分増幅器３２(図１２等参照)間を接続する配線、５１はプラグ、５２，５３，５４，５５，５６は層間絶縁膜を示す。
【００８２】
動作方法については、実施の形態２と同様であるのでここでの説明は省略する。
【００８３】
上記の磁気抵抗効果素子１で磁界Ｈｅｘを帯びた被測定物４０(磁界Ｈｅｘを発生する被測定物)の上記磁界Ｈｅｘを測定することで被測定物４０を流れる電流ｉを測定するため、電流検出において誤差が少なく安定した出力信号が得られ、高精度な電流検出を行うことができる。また、電流検出器１０２の形成も容易である。
【００８４】
ここで、図１２で説明したブリッジ回路を形成し、定抵抗素子３１ａ，３１ｂにも磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂと同一の素子を配置してもよい。図１７はこの発明の実施の形態３における電流検出器を有する別の半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。図１７を参照して、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂのみ配線４０の直上に設置し、定抵抗素子３１ａ，３１ｂに代わる磁気抵抗効果素子１ｃ，１ｄを配線４０の直上以外に設置している。これにより、それぞれの出力信号の差分を得ることで、温度や周辺環境の磁界によるバックグラウンドの信号を差し引くことが可能である。なお、磁気抵抗効果素子１ｃ，１ｄは定抵抗素子３１ａ，３１ｂのままとしてもよい。
【００８５】
これにより、例えば、周辺機器が発する磁界の影響を差し引くことが可能であり、周辺環境の磁界の影響を抑制するための磁気シールドが不要となる。
【００８６】
この実施の形態によれば、実施の形態１で説明した効果を利用し、半導体集積回路の配線における電流の検出が可能となる。半導体集積回路に適用した場合、磁気抵抗効果素子と被測定物との距離は、層間絶縁膜によって決定されるため、磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂと被測定物４０との距離を小さくすることが可能であり、結果として高感度な検出が可能である。
【００８７】
図１８はこの発明の実施の形態３における電流検出器を有するさらに別の半導体集積回路の一部を示す概略断面図である。図１８はこれを適用した集積回路の例を示す。ここでは、メモリＭと演算回路ＯＰの電源供給部ＰＳからの電源線ＰＬの電流を磁気抵抗効果素子で構成される電流検出器１０２により常時検出している。この検出した電流値を電源供給部ＰＳのための電源制御部ＰＳＣへとフィードバックする。
なお、上述の演算部(出力信号検出回路等)での、磁気検出器で検出された電流値または電圧値、またはさらにこれらを換算式で換算した磁界強度から、予め設定された換算式に基づいて被測定物の電流値を求める機能は上記電源制御部ＰＳＣに設けてもよい。
【００８８】
本構成によれば、集積回路に影響を与えず、高精度且つ高感度な電流の検出を実現することが可能となる。この結果、環境に依存した集積回路の動作状況をモニタリングおよびフィードバックを実施することで、集積回路の低消費電力化が可能となる。
【００８９】
ここでの動作は磁界により電流を検出していることから、実施の形態１で説明した変形例も適用が可能である。
また、上記においては、実施の形態１での３つの変形例１〜３を適用することが可能であり、感度の異なる素子を同時に形成することも可能である。
【００９０】
この発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１，２ａ−２ｄ  磁気抵抗効果素子、２  直流(電流、電圧)電源、３  電圧計、４，５  配線、６  下部電極層、７  上部電極層、８  自由層(強磁性層)、９  トンネル絶縁(膜)層、１０  固着層、１０ａ，１０ｂ  強磁性層、１０ｃ  非磁性層、１０ｄ  反強磁性層、３０  ブリッジ回路、３１ａ，３１ｂ  定抵抗素子、３２  差動増幅器、４０  配線(被測定物)、５０  下部電極、５１  プラグ、５２−５６  層間絶縁膜、１００  磁界検出器、１０２  電流検出器、ＯＰ  演算回路、ＰＬ  電源線、ＰＳ  電源供給部、ＰＳＣ  電源制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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